用于飛機制造的螺桿空壓機在不同外部條件下的排水量分析

袁開宇，陳 藜，吳 迪，田 斌

（航空工業洪都，江西 南昌，330095)

0 引言

空壓機在飛機制造中具有重要作用，它所產出的壓縮空氣可用于驅動飛機制造中的裝配工具、噴漆、退膜、吹沙、組合刀具以及安裝鉚釘、金屬成形壓機、鍛錘等。 飛機制造業對于需要空壓機作為動力的器械與工程的依賴程度也越來越大。隨著行業不斷革新與進步，現在螺桿式空壓機多半采用兩級壓縮技術，其壓縮過程為自然空氣通過空氣過濾器進入第一級壓縮，在壓縮腔與少量潤滑油混合，同時將混合氣體壓縮到級間壓力。壓縮后的氣體進入冷卻通道，與大量油霧接觸，從而大大降低了溫度。降溫后的壓縮氣體進入第二級轉子，進行二級壓縮，被壓縮到最終排氣壓力[1]，最后通過排氣閥排出壓縮機，完成整個壓縮過程。在此壓縮過程中，由于螺桿空壓機在工作運轉時機器內部溫度很高，而吸入的空氣是有相對濕度的，即自然空氣中的水分。含水分的空氣會在空壓機的運行過程中形成水蒸汽，通過冷卻降溫后，變成冷凝水。冷凝水會在油氣分離器中凝結，而當油中含有過多的水分將會形成油的乳化，影響機器的平穩運行，甚至引起空壓機零部件的腐蝕[2]。空壓機第一級、第二級壓縮空氣中所產生冷凝水的合理排放對后續壓縮空氣的質量有較大影響。外界環境的溫度和濕度則對冷凝水的排放量影響較大[3]。

本文利用濕空氣飽和含水量計算公式、理想氣體狀態方程公式、飽和濕空氣表、不同壓力溫度下飽和濕空氣含水量表等相關表格和公式，對夏、冬兩個季節不同濕度和溫度條件下螺桿空壓機第一級、第二級的排冷凝水量進行計算[4]。

1 空壓機冷凝水排水工況的算法公式

根據含濕量的定義，空氣飽和含濕量的計算公式為：

式中，p 為大氣壓強（Pa），φ 是空氣的相對濕度，p0是 p 壓力下飽和水蒸氣壓力（Pa）。

根據理想氣體狀態方程的理論，空氣密度的計算公式為：

式中，M 為摩爾質量 （g/mol），T 是空氣的開氏溫度（K），p 是壓強（Pa），R 為摩爾氣體常數(J/（mol.K））。

根據飽和濕度的理論，通過空壓機后的飽和含濕量的計算公式為：

根據冷凝器排水的規律，中間冷卻器排出冷凝水量d 的計算公式為：

式中，G 為吸入空壓機的空氣重量流量 （kg/h），d1是通過一級壓縮后飽和含濕量（g/kg），d0是吸入自然空氣飽和含濕量（g/kg）。

根據冷凝器排水的規律，后冷卻器排出冷凝水量d 的計算公式為：

式中，G 為吸入空壓機的空氣重量流量 （kg/h），d2是通過二級壓縮后飽和含濕量 （g/kg），d1是通過一級壓縮后飽和含濕量（g/kg）。

2 夏、冬季空壓機冷凝器排水工況分析

在空壓機實際運行過程中，我們發現相同機型與相同排氣壓力之下，夏季冷凝器排水比冬季要多。 針對此類現象建立模型，具體分析夏季與冬季的冷凝水排水量的區別。

在夏季，當空壓機分別吸入大氣溫度為29℃、32℃、35℃、38℃的空氣時，由于夏季相對濕度較高，根據以往氣象條件取60%的空氣相對濕度，經后冷卻器冷卻后，將0.8MPa 的壓縮空氣送出。大氣壓強取100000pa，重力加速度 G 取 10m/s2。

圖1 氣路系統流程圖

根據空氣飽和含濕量的計算公式（1）并查飽和濕空氣表，得出夏季不同溫度的空氣飽和含濕量，見表1。

表1 夏季不同溫度的空氣飽和含濕量d0

根據某空壓機的一般性能，產出的壓縮空氣（約178℃）經過一級不銹鋼的彈性管進入中間冷卻器，被冷卻至比環境溫度高 20°F （11℃）,且空氣進入 1 級主機后被壓縮至 2kg/cm2(取 G=10m/s2),即 0.2MPa，根據理想氣體狀態方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（4），得出中間冷卻器排水量，見表2。

表2 中間冷卻器排水量（夏）

根據某空壓機的一般性能，產出的壓縮空氣（約218℃）經過二級不銹鋼的彈性管進入后冷卻器，被冷卻至比環境溫度高 20°F （11℃），且空氣進入 2 級主機并被壓縮至 8kg/(取 G=10m/s2),即 0.8MPa；G 是單位時間內空氣的吸入量（kg/h），某空壓機容積流量為10L/min，根據理想氣體狀態方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（5），得出后冷卻器排水量，見表3。

表3 后冷卻器排水量（夏）

在冬季，當空壓機分別吸入大氣溫度為8℃、11℃、14℃、17℃的空氣時，由于冬季相對濕度較高，根據以往氣象條件取40%的空氣相對濕度，經后冷卻器冷卻后，將0.8MPa 的壓縮空氣送出。大氣壓強取100000pa，重力加速度G 取10 m/s2。

根據空氣飽和含濕量的計算公式（1）并查飽和濕空氣表，得出冬季不同溫度的空氣飽和含濕量，見表4。

表4 冬季不同溫度的空氣飽和含濕量d0

根據某空壓機的一般性能，產出的壓縮空氣（約178℃）經過一級不銹鋼的彈性管進入中間冷卻器，會被冷卻至比環境溫度高 20°F （11℃）,且空氣進入 1級主機后被壓縮至 2kg/cm2（取 G＝10m／s2）,即0.2MPa，根據理想氣體狀態方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（4），得出中間冷卻器排水量，見表5。

表5 中間冷卻器排水量（冬）

根據某空壓機的一般性能，產出的壓縮空氣（約218℃）經過二級不銹鋼的彈性管進入后冷卻器，被冷卻至比環境溫度高 20°F （11℃），且空氣進入 2 級主機并被壓縮至 8kg/cm2（取 G＝10m/s2），即 0.8MPa；G是單位時間內空氣的吸入量（kg/h）。 某空壓機容積流量為10L/min，根據理想氣體狀態方程公式（2），飽和含濕量公式（3），冷卻器排水公式（5），得出后冷卻器排水量，見表6。 夏、冬兩季中間和后冷卻器排冷凝水量分別見表7 與表8。 不同溫度和濕度下冷凝水排水總量見表9。

表6 后冷卻器排水量（冬）

表7 夏季中間和后冷卻器排冷凝水量

表8 冬季中間和后冷卻器排冷凝水量

表9 不同溫度和濕度下冷凝水排水總量

掌握冷凝水的排放規律有利于空壓機及附屬設備的工作。空壓機在使用過程中很容易因為排氣溫度低于大氣空氣溫度或停機冷卻溫度而產生較多冷凝水，尤其是在天氣潮濕或溫度很高的地區。如不按時排放空壓機中的冷凝水，會使潤滑油的含水量過高，不利于設備的潤滑效果，使潤滑油的質量下降，影響機器的安全平穩運行[5]。同時，冷凝水容易腐蝕空壓機配件，也會使油氣分離芯效果變差，大量的冷凝水累積會造成零部件的生銹等不良后果。因此，在注意潤滑油補充或更換的同時，也要注意冷凝水的排放。應根據當地條件下濕度和溫度的狀況來制定冷凝水排放時間間隔表。

3 結論

在飛機制造業中，空壓機是必不可少的一種設備，通過對其自身性能的分析，掌握相應的規律，可以節約能源，提高生產效率。本文通過對比在不同濕度和溫度條件下，中間冷卻器和后冷卻器冷凝水的排量得出以下結論：

1） 在同一地點，隨著溫度的升高，冷凝水的排放量會增大。 因此夏季應該做好排污閥的設置工作。

2） 相同機型和排氣壓力下，在冬天，后冷卻器排水量比中間冷卻器排水量多；在夏天，后冷卻器排水量比中間冷卻器排水量少。

3） 通過理論計算可以掌握在不同狀態條件下冷凝水的排放量。 對于電動閥設置排放的間隔時間具有指導作用。